趙軍, 張杰, 范家寶, 何勝林, 王迪, 賈云武

(1.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院, 四川 成都 610500; 2.中海油湛江分公司研究院, 廣東 湛江 524057;3.中石化上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院, 上海 200120; 4.西部鉆探測井公司, 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

中新世以來地層的快速沉降、大規(guī)模泥-流體底辟[1-2]作用以及熱流體活動的影響,鶯歌海盆地形成了廣泛的高溫超壓環(huán)境。高溫和超壓作用促進了泥底辟熱流體塑性上涌,深層CO2進入淺部儲層[3]。CO2侵入的隨機性和差異性,造成了不同區(qū)塊、不同含氣儲層中CO2含量差異較大,給儲層中CO2含量的準確計算造成了很大難度,影響了對儲層流體的整體評價。

在高溫高壓條件下(溫度超過150 ℃,壓力約50 MPa),CO2處于超臨界狀態(tài)[4-6],是1種較為稠密的氣體。其密度值和聲波時差值與常溫常壓條件下存在一定差異。通過將CO2溶入研究區(qū)地層水中,發(fā)現(xiàn)CO2溶入對地層水電阻率的影響幅度很小,且隨著溫度增加其影響幅度會越小(高溫條件下最高不超過6%),即CO2溶于水對地層水電阻率的影響并不大,應用電阻率資料不能有效識別CO2氣層。盡管在150 ℃、50 MPa(接近儲層實際溫壓)條件下超臨界CO2氣體的密度和縱波時差與甲烷氣體存在一定的差異[7-9],但利用體積物理模型定量計算實際地層中CO2含量時巖石骨架及流體的取值[10]仍存在很大的不確定性,嚴重影響CO2含量的計算精度。為了提高CO2含量的計算精度,本文根據(jù)巖石體積物理模型結(jié)合阿爾奇公式求解孔隙度和飽和度參數(shù),利用烴類氣體的含氫指數(shù)明顯高于CO2氣體的特征和中子測井的長源距探測器計數(shù)率對含氫指數(shù)的敏感性[11-13],通過建立氣體平均含氫指數(shù)、計數(shù)率值與CO2含量之間的定量關(guān)系,達到精確預測CO2含量的目的。

1 中子反映CO2測井響應機理分析

烴的含氫指數(shù)可根據(jù)組分和密度計算,在150 ℃、50 MPa條件下甲烷含氫指數(shù)(HCH4=2.25ρCH4)約0.48;CO2中不含氫(含氫指數(shù)為0),兩者差異較為明顯,CO2與烴類氣體對熱中子減速和擴散過程的影響有較大的差異?？紤]井下測量可能達到的精度,大多數(shù)條件下中子遷移運動過程分為慢中子減速階段和熱中子擴散階段就可以滿足需求。補償中子測井采用的源距足夠大,在熱中子擴散過程建立擴散方程為

Dt2φt(r)-Σtφt(r)+Σfφf(r)=0

(1)

其解為

(2)

式中,φf(r)、φt(r)分別為無限均勻介質(zhì)中快中子減速和熱中子擴散2處中子距源r處的通量,cm-2·s-1;r為源距,cm;Σf、Σt分別為快中子減速和熱中子擴散的中子宏觀組轉(zhuǎn)移截面,cm-1;Dt為熱中子擴散系數(shù),無因次;Lf為快中子減速長度,cm;Lt為熱中子擴散長度,cm。

由式(1)得出,單一源距的熱中子通量受不同介質(zhì)的吸收性質(zhì)和井環(huán)境影響較大?？熘凶訙p速長度近似為熱中子擴散長度的2倍,若源距足夠長時,式(1)中第2項可以忽略。式(1)變?yōu)?/p>

(3)

在相同孔隙度條件下,地層分別含甲烷和二氧化碳的中子通量比值可表示為

(4)

式中,φ1為含二氧化碳地層的中子通量,cm-2·s-1;φ2為含甲烷地層的中子通量,cm-2·s-1;Lf1為含二氧化碳地層快中子減速長度,cm;Lf2為含甲烷地層快中子減速長度,cm。

由式(4)可見,在其他條件相同的情況下,含二氧化碳和甲烷的地層中子通量的差異取決于這2種流體的快中子減速長度。表1為H、C、O這3種元素對不同能量中子的減速長度。

表1 3種元素對不同能量中子的減速長度

由表1可見,氫的中子減速長度比碳和氧高2個數(shù)量級。當?shù)貙涌紫吨泻幸欢康亩趸紩r,與相同孔隙條件下只含天然氣的地層中子通量相比會有較大的差異。可以利用反映中子通量的中子測井計數(shù)率定量評價地層中CO2的含量。

2 含CO2地層含氫指數(shù)校正與計算

當?shù)貙又写嬖?種孔隙流體(地層水、甲烷和二氧化碳)時,孔隙度測井對孔隙中流體的響應同時受到3種流體的影響[14],且在含水飽和度較高時,地層水對測井響應的貢獻大,氣體對信號的貢獻程度小,使得二氧化碳與甲烷對孔隙度測井的差異響應不易于檢測。除了孔隙水之外,中子測井值還會受到孔隙度、泥質(zhì)含量等因素的影響,需要從中子測井信息中去掉泥質(zhì)、孔隙中地層水的貢獻[15]。具體方法是運用體積物理模型去除泥質(zhì)、骨架和地層水對測井值的影響,并除以氣體所占體積分數(shù),得到孔隙中氣體的平均含氫指數(shù),表示單位體積的氣體對含氫指數(shù)(中子測井值)貢獻的大小。計算公式為

(7)

式中,φN為中子測井值,p.u.;φ為孔隙度,%;Sw為含水飽和度,%;Iw,H為地層水的含氫指數(shù);φN,sh為純泥巖處中子測井值,p.u.;Vsh為泥質(zhì)含量,%;Ish,H為泥質(zhì)含氫指數(shù)。

利用式(7)對研究區(qū)含CO2氣層的含氫指數(shù)進行校正,作氣體平均含氫指數(shù)分布直方圖(見圖1)。

圖1 不同組分氣體含量的平均含氫指數(shù)直方圖

圖1中2類數(shù)據(jù)集的分布區(qū)域存在明顯的差異,隨CH4含量增加,越靠直方圖右端分布;隨CO2氣體含量增加,直方圖分布越靠左。不同組分氣體含量的平均氣體含氫指數(shù)存在不同的分布范圍,高含(純)甲烷氣層,氣體平均含氫指數(shù)范圍主要在0.3～0.7,高含二氧化碳氣層主要分布范圍在-0.1～0.3。受挖掘效應影響,部分數(shù)據(jù)點氣體平均含氫指數(shù)值為負值。當氣體平均含氫指數(shù)大于0.3,高含甲烷氣層數(shù)據(jù)點占優(yōu)勢,低于0.3,高含二氧化碳氣層數(shù)據(jù)點占優(yōu)勢;當氣體平均含氫指數(shù)小于0.1,基本上均為高含二氧化碳氣層數(shù)據(jù)點;當氣體含氫指數(shù)大于0.5,基本上均為高含甲烷氣層數(shù)據(jù)點。說明利用該平均含氫指數(shù)能較好地區(qū)分CO2氣體和烴類氣體的含量。

3 定量預測CO2含量模型和適用性分析

烴類氣層的含氫指數(shù)高于CO2氣層,測井時烴類氣層的長、短源距探測器的計數(shù)率值應明顯地低于CO2氣層的值[11]。利用氣體平均含氫指數(shù)、計數(shù)率值與CO2含量建立統(tǒng)計學關(guān)系建立預測CO2含量的模型并進行分析。

研究區(qū)中子測井采用的是斯倫貝謝公司隨鉆測井系列,以保證每次測量輸出計數(shù)率的一致性,由于氣層段產(chǎn)生一定程度的侵入,相比于短源距計數(shù)率,長源距計數(shù)率更能反映地層真實特征[13]。選取長源距計數(shù)率值對標準層進行標準化,建立預測CO2含量模型。本文選取了DF氣田的6口井12個層段的實測資料與測井數(shù)據(jù)。應用該12個層段對應的計算出的氣體平均含氫指數(shù)和長源距計數(shù)率值與實測的地層條件下CO2含量作單相關(guān)分析(見圖2、圖3)。

圖2 CO2含量與氣體平均含氫指數(shù)關(guān)系圖

圖3 校正前后長源距計數(shù)率與地層CO2含量關(guān)系圖

地層孔隙流體的含氫指數(shù)從高到低分別為地層水、甲烷、CO2。中子測井的長、短源距計數(shù)率值不僅受不同類型氣體相對含量的影響,還受到地層水飽和度的影響。束縛水飽和度較高的CO2氣層和束縛水飽和度較低的甲烷氣層的長源距計數(shù)率值相近,無法有效區(qū)分2類氣層。為此,定義CO2定量判別因子ICO2表示地層中氣體對長源距計數(shù)率值的貢獻,以校正地層水飽和度對長源距計數(shù)率值的影響。其定義式為

ICO2=φ(1-Sw)L

(8)

式中,ICO2為定量判別因子;L為中子測井長源距計數(shù)率。

校正前后的長源距計數(shù)率與地層CO2含量的之間的相關(guān)關(guān)系見圖3,可見校正后長源距計數(shù)率對CO2含量的響應敏感度得到了較大提高。

考慮到校正后的長源距計數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)均對CO2含量有較好的響應,故使用這2種參數(shù)建立氣層CO2含量計算模型以提高模型準確度。擬合式為

(9)

圖5 DF13-2-8d井CO2定量預測測井解釋成果圖*非法定計量單位,1 ft=0.304 8 m,下同

將6口井12個層位對應的長源距計數(shù)率值、計算出的氣體平均含氫指數(shù)值、含水飽和度值及孔隙度值代入式(9),計算出地層條件下CO2氣體含量。圖4為實際的地層測試CO2含量和計算的地層CO2含量對比圖,數(shù)據(jù)點基本上沿45°線分布,平均絕對誤差為1.9%,未出現(xiàn)絕對誤差超過10%的點。

圖4 地層測試CO2含量與測井解釋地層CO2含量對比圖

4 應用效果

選取未參與建模的DF13-2-8d井,運用本文建立的模型計算氣層中CO2含量,驗證該模型的準確性。圖5為DF13-2-8d井CO2含量預測測井解釋成果圖。圖5第5道中,氣體平均含氫指數(shù)普遍為0.3～0.6,顯示出高含甲烷特征。該井識別出的氣層中定量計算得到的CO2含量普遍低于10%:3 105～3 134 m段氣層中CO2平均含量為7.3%,3 146～3 172 m段氣層中CO2平均含量為8.1%。MDT測試得3 115 m處CO2所占氣體比例為5.9%,3 163 m處CO2所占氣體比例為6.6%,與各自所在層段CO2含量的平均值的絕對誤差均不超過10%。

圖6 BD19-2N-1井二氧化碳定量預測測井解釋成果圖

選取寶島氣田BD19-2N-1井的黃流組一段為目的層段進行測井處理和解釋。圖6為BD19-2N-1井CO2含量預測測井解釋成果圖,第5道中,氣體平均含氫指數(shù)普遍低于0.1,顯示為高含CO2氣層。根據(jù)本文的模型定量計算得到該氣層中CO2含量接近100%,平均含量為96.2%;在4 059.8 m處MDT測試結(jié)果顯示CO2含量占氣體體積比例為92.41%。測試結(jié)果與測井解釋結(jié)果的絕對誤差未超過10%,說明本文提出的預測CO2含量的模型是準確可行的。

5 結(jié) 論

(1) 研究表明,經(jīng)泥質(zhì)、骨架、地層水校正后的中子測井長源距計數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)與地層中的CO2含量有較好的相關(guān)性,可以利用這些參數(shù)定性識別天然氣藏中的CO2。

(2) 結(jié)合密度體積模型與阿爾奇公式計算了儲層孔隙度與含水飽和度,建立了基于中子長源距計數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)的CO2含量預測模型,不僅提高了計算精度,并且有效克服了氣層物性、含水飽和度等因素對預測結(jié)果的影響。

(3) 利用實際資料對本文建立的CO2定量計算模型進行了檢驗,計算結(jié)果與實際測試結(jié)果較為吻合,說明模型的計算精度較高,有一定的實際應用價值。

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